DE3311724A1 - Katalysator-traegerkoerper fuer verbrennungskraftmaschinen aus konisch wendelfoermig gewickelten blechstreifen - Google Patents
Katalysator-traegerkoerper fuer verbrennungskraftmaschinen aus konisch wendelfoermig gewickelten blechstreifenInfo
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Description
O O I I / Z.
S3 P 6 7 O 5 DE
INTERATOM - Z " 24.666.2
Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5060 Bergisch Gladbach 1
aus konisch wendelförmig gewickelten Blechstreifen Die vorliegende Erfindung betrifft einen metallischen
Trägerkörper für Beschichtungen von katalytisch wirkenden Stoffen zur Reinigung von Abgasen, insbesondere für
Verbrennungskraftmaschinen. Diese metallischen Katalysator-Trägerkörper
bestehen aus einer Trägermatrix mit spiralig aufgewickelten, sehr dünnwandigen, glatten und/
oder gewellten Blechbändern, die in einem kreiszylindrisehen oder auch ovalzylindrischen Mantelrohr fügetechnisch
durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden sind.
In der deutschen Offenlegungsschrift 29 24 592.9 sind
zahlreiche Lötverfahren zur Herstellung solcher Katalysator-Trägerkörper angedeutet und in Fig. 7 der entsprechenden
Beschreibung ist auch ein Katalysator-Trägerkörper dargestellt, der eine besonders feste Lötverbindung
zwischen seiner äußeren Lage und dem Mantelrohr bildec.
Diese Katalysator-Trägerkörper werden beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren,
erheblichen und wechselnden thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Die dünnwandigen
Bleche der Trägermatrix werden bei hoher Motorleistung in kürzester Zeit durch die katalytische umsetzung des Abgases
von ca. 500° C Betriebstemperatur örtlich über mehr oder minder große Bereiche auf.Temperaturen über 900 C
erhitzt, während das sie umgebende dickwandige Mantelrohr seine durch äußere Luftkühlung relativ niedrige Betriebstemperatur
von ca. 300° C noch längere Zeit beibehält und
24.03.83
";..:·..: 83 P 67 05DE
24.666.2
somit die Trägermatrix an einer spannungsfreien thermischen Ausdehnung ihres Volumens hindert- Die hierdurch
bei hoher Temperatur entstehenden plastischen Druckverformungen der Trägermatrixzellen bewirken in der Abkühlungsphase
durch trägheitsbedingte Temperaturgradienten zwischen Matrix und Mantelrohr hohe Zugbelastungen auf
die Zellenwände und ihre Verbindungsstellen, die infolge der plastischen Wechsel verforntungen schon nach kurzer Betxiebszeit
reißen und in den Zonen hoher Wechselbeanspruchung zur Ablösung von ganzen Teilstücken des Trägermatrixkörpers
führen können.
In Erprobungsversuchen mit Hochleistungs-Katalysatoren wurde eindeutig ermittelt, daß in Bezug auf die Stabilität
und eine funktionsgerechte Lebensdauer von metallischen Katalysator-Trägerkörpern nicht nur die durch
Gasdruck, Pulsation und Schwingungen erzeugten axialen und, radialen Kräfte beachtet werden müssen, sondern die
durch eine Dehnungsbehinderung bei der Erwärmung und Abkühlung der Trägermatrix hervorgerufenen radialen Wechselbelastungen
von weitaus größerer Bedeutung sind.
In der deutschen Offenlegungsschrift 29 05 241 wird ein
Katalysator-Trägerkörper aus einer konischen Wicklung beschrieben, der die bekannten zylindrischen Wicklungen
bezüglich der Durchströmung, der Wärmebelastung, des Anspringverhaltens und der Einbaufähigkeit verbessern
soll. Diese Schrift bezieht sich auf Wickelkörper in den normal üblichen und vielfach verwandten Abmessungen
und mißt an keiner Stelle der Lösung der anstehenden, dort jedoch nicht angedachten thermischen Dehnungsprobleme
in radialer Richtung, dem Durchmesser-Längenverhältnis die erforderliche Wertung bei. Dementsprechend wird
mit der dort vorgeschlagenen Lösung, wie im weiteren noch
67 05DE
24.6 66.2
ausführlich dargelegt, die zuvor genannte Wechselbelastungs-Bruchgefahr
nicht beseitigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Katalysator-Trägerkörper
aus glatten und/oder gewellten, spiralig aufgewickelten und in einem Mantelrohr fügetechnisch befestigten
Blechbändern, der die oben erwähnten Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Katalysatorkörper nach dem ersten Anspruch vorgeschlagen. Danach soll das Verhältnis
von Breite der Blechbänder zu der Steigung bzw. dem äußeren Radius der wendeiförmigen Wicklung so gewählt
sein, daß kein Querschnitt durch die Wicklung alle Lagen von Blechbändern schneidet, d.h. die axiale Abmessung
der hohlkegelartigen Trägermatrix ist größer als die zweifache Breite der Blechbänder . Ein so gestalteter
Kafcalysator-Trägerkörper hat den Vorteil, daß jeder Querschnitt senkrecht zur Längsachse nur relativ schmale
Ringzonen aus Trägermatrixzellen aufweist, die in radialer Richtung sowohl nach außen wie nach innen nicht von Nachbarzellen
in ihrer Dehnungsfreiheit behindert werden und somit keinen plastischen Wechselverformungen unterworfen
sind wie bei den bisherigen Trägerkörpern. Da die Dehnungsspannungen der Matrixzellen in Bezug auf die über die Anströmfläche
unterschiedlich verteilten Temperaturgradienten mit zunehmender Ringzonenbreite überproportional·
steigen,sind Trägerkörperstücke mit geringer Blechbandbreite besonders vorteilhaft. Andererseits entfällt der
erfindungsgemäße Vorteil einer ungehinderten radialen Dehnungsfreiheit der Matrixzellen bei Katalysator-Trägerkörpern
deren Wickelbandbreite größer als die halbe axiale Ausdehnung der wendeiförmigen Wicklung ist. Entsprechendes
gilt auch für die Wickelbandbreite im Ver-
67 05QE
24.666.2
hältnis zum äußeren Radius der Wicklung, weil das hohe
Widerstandsmoment des gewellten Bandes quer zur Wellungsrichtung wegen der erforderlichen schraubenlinienförmigen Krümmung der Wellenlängsachse nur in geringem Maße eine
konische Formung des Wickelkörpers in seiner Längsachse
zuläßt. Bei zu großer Wickelbandbreite verbleibt ein
großer Teil der Länge des Trägerkörpers über die Gesamtfläche des Querschnitts senkrecht zur Längsachse vollkommen mit Zellstrukturen gefüllt, so daß in diesem Teil der Matrix die vorgenannten Probleme unverändert auftreten. Dies trifft auch für den oben genannten Katalysatorkörper entsprechend der DE-OS 29 05 241 zu.
Widerstandsmoment des gewellten Bandes quer zur Wellungsrichtung wegen der erforderlichen schraubenlinienförmigen Krümmung der Wellenlängsachse nur in geringem Maße eine
konische Formung des Wickelkörpers in seiner Längsachse
zuläßt. Bei zu großer Wickelbandbreite verbleibt ein
großer Teil der Länge des Trägerkörpers über die Gesamtfläche des Querschnitts senkrecht zur Längsachse vollkommen mit Zellstrukturen gefüllt, so daß in diesem Teil der Matrix die vorgenannten Probleme unverändert auftreten. Dies trifft auch für den oben genannten Katalysatorkörper entsprechend der DE-OS 29 05 241 zu.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Trägermatrix eine Hohlkegelstumpfform haben
soll. Sofern die Höhe des Hohlkegelstumpfes dabei immer
noch größer als die zweifache Breite des Wickelbandes
is.t, bleiben die bisher beschriebenen Vorteile erhalten,so daß sich der innere Teil ohne Behinderung durch das Mantelrohr ausdehnen kann.
noch größer als die zweifache Breite des Wickelbandes
is.t, bleiben die bisher beschriebenen Vorteile erhalten,so daß sich der innere Teil ohne Behinderung durch das Mantelrohr ausdehnen kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 3 vorgeschlagen, daß der Katalysator-Trägerkörper im
Längsschnitt W-förmig gestaltet ist. Diese Form ergibt
sich, wenn die Steigung beim Wickeln der wendeiförmigen
Wicklung an einer Stelle ihr Vorzeichen wechselt. Sofern auch in diesem Falle die gesamte axiale Ausdehnung der
wendeiförmigen Wicklung die zweifache Breite der Wickelbänder überschreitet, bleiben die beschriebenen Vorteile erhalten. Bei dieser Anordnung, die insbesondere für
Katalysatorkörper von größerem Durchmesser geeignet ist, werden die Einbaumaße gegenüber der normalkegeligen Form erheblich reduziert, ohne die Flexibilität der Matrix
sich, wenn die Steigung beim Wickeln der wendeiförmigen
Wicklung an einer Stelle ihr Vorzeichen wechselt. Sofern auch in diesem Falle die gesamte axiale Ausdehnung der
wendeiförmigen Wicklung die zweifache Breite der Wickelbänder überschreitet, bleiben die beschriebenen Vorteile erhalten. Bei dieser Anordnung, die insbesondere für
Katalysatorkörper von größerem Durchmesser geeignet ist, werden die Einbaumaße gegenüber der normalkegeligen Form erheblich reduziert, ohne die Flexibilität der Matrix
hinsichtlich der Dehnungsfreiheit einzuschränken. Die
.- . JJ I I /Z.4
"~C': " 83 P 67 05DE
-Sl- 24.666.2
bisher beschriebenen Formen der Trägermatrix lassen sich durch eine zunächst spiralige Wicklung und anschließendes
Drücken in die gewünschte Form herstellen. 5
Im Anspruch 4 wird vorgeschlagen, daß der Trägerkörper aus mehreren mit Freiraumabstand axial hintereinander angeordneten
Matrix-Teilstücken bestehen soll. Wegen der entsprechend dem vorliegenden Erfindungsgedanken geringeren
Breite der Wickelbänder kann es sein, daß für eine ausreichende Katalyse mehrere Matrix-Teilstücke nötig
sind. Die Aufteilung der Katalysator-Gesamtlänge in mehrere schmale Teilstücke mit dazwischenliegenden Freiräumen
führt noch zu einem weiteren Vorteil in anderer Hinsicht.
Berechnungen und Versuche haben gezeigt, daß bei den üblichen
Abmessungen und den Gasgeschwindigkeiten in den parallelen Kanälen der bisherigen Abgaskatalysatoren die
Strömung nach etwa 20 - 30 mm in den laminaren Zustand übergeht, der für die in einem Katalysator ablaufenden
chemischen Vorgänge wegen der mangelnden Oberflächenkontaktierung des Abgases weniger günstig ist als eine turbulente
Strömung. Durch die Aufteilung in mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Katalysator-Teilkörper
wird jedes Katalysator-Teilstück nur im turbulenten Zustand angeströmt, wodurch die katalytische
Wirksamkeit erheblich verbessert wird. Beim Austritt des Abgases aus dem vorhergehenden Katalysator-Teilstück in
den Zwischenfreiraum zum nächsten Teilstück entsteht eine sehr gute Durchmischung des Abgases, die in Bezug auf die
Wärmeverteilung, das Anspringverhalten und die Umsatzrate
ebenfalls zur Verbesserung des katalytischen Wirkungsgrades beiträgt.
Es erscheint zweckmäßig, daß die im ersten Anspruch vorgeschlagene
kegelartige Form des Katalysatorkörpers der An-
-β- 24.666.2
ströinrichtung des heißen Abgases entgegengerichtet ist.
Bei dieser Anordnung, die auch noch durch eine entsprechende konische Form des Gehäuses verbessert werden kann,
werden die heißen Abgase von der Mitte etwas mehr als bisher zu den Randbezirken des Katalysatorkörpers umgeleitet,
so daß die heißen Gase gleichmäßiger als bisher über den Querschnitt des Katalysatorkörpers verteilt werden.
""' Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen rotationssymmetrisehen
Abgaskatalysator, bestehend aus drei Katalysator-Teilkörpern von hohlkegeliger Form in einem zylindrischen Mantelrohr.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt A-A durch Fig. 1.
Fig. 3 zeigt die Schnittkontur eines einzelnen Katalysatorkörpers von kegelstumpfartiger Form.
Fig. 4 zeigt ebenfalls die Schnittkontur eines einzelnen Katalysatorkörpers mit einem W-förmigen Längsschnitt.
In Fig. 1 sind die kegelförmigen Katalysator-Trägerkörper 1 in dreifacher Stückzahl in dem zylindrischen
Mantelrohr 2 befestigt, das über konische Übergangsstücke 3 und 5 mit den zylindrischen Rohrstutzen 4 und 6 verbunden
ist. Der Pfeil am Rohrstutzen 4 zeigt die Strömungsrichtung des eintretenden Abgases an. Es ist erkannbar,
,daß die Strömung aufgrund der konischen Form und aufgrund des Widerstandes im Katalysatorkörper auf den gesamten
Querschnitt des Katalysatorkörpers verteilt wird. Die Katalysatorkörper sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, in
an sich bekannter Weise aus jeweils einem glatten 8 und einem gewellten 7 Blechband aufgewickelt, wobei z.B. die
äußere Lage aus einem gewellten Blechband an der Innenfläche des Mantelrohres 2 anliegt. Entsprechend der vorliegenden
.". ■ - jo ι ι /^t
.'"""" "83 P 6 7 05DE
24.666.2
Erfindung sind die Blechbänder vergleichsweise schmal
und wendelförmig aufgewickelt. Die Breite b der Blechbänder und die Steigung s der wendeiförmigen Wicklung, sowie die axiale Gesamtausdehnung h der wendeiförmigen Wicklungen sind in Fig. 1 eingezeichnet. Es ist zu erkennen, daß ein Schnitt senkrecht zur Längsachse des Katalysator-Trägerkörpers nur dann niemals alle Wicklungslagen schneiden kann, wenn die axiale Ausdehnung h mehr als doppelt so
groß ist wie die Breite der Wickelbänder b.
und wendelförmig aufgewickelt. Die Breite b der Blechbänder und die Steigung s der wendeiförmigen Wicklung, sowie die axiale Gesamtausdehnung h der wendeiförmigen Wicklungen sind in Fig. 1 eingezeichnet. Es ist zu erkennen, daß ein Schnitt senkrecht zur Längsachse des Katalysator-Trägerkörpers nur dann niemals alle Wicklungslagen schneiden kann, wenn die axiale Ausdehnung h mehr als doppelt so
groß ist wie die Breite der Wickelbänder b.
In Figl 3 und 4 werden weitere Ausgestaltungsformen für
die Abgaskatalysator-Trägerkörper dargestellt. Dabei
zeigt Fig. 3 eine hohlkegelstumpfförmige Trägermatrix 9
und Fig. 4 eine W-förmige Form 10. Axial betrachtet
sehen diese Ausführungen aus, wie in Fig. 2 dargestellt.
die Abgaskatalysator-Trägerkörper dargestellt. Dabei
zeigt Fig. 3 eine hohlkegelstumpfförmige Trägermatrix 9
und Fig. 4 eine W-förmige Form 10. Axial betrachtet
sehen diese Ausführungen aus, wie in Fig. 2 dargestellt.
- Leerseite -
Claims (4)
- ""*"*' 83 P 6 7 05OEINTERATOM ^' 24.666.2Internationale Atomreaktorbau GmbH D-5O6O Bergisch Gladbach 1Katalysator-Träqerkörper für Verbrennungskraftmaschine.-. aus konisch wendelförmig gewickelten Blechstreifen PatentansprücheM JKatalysator-Trägerkörper für Verbrennungskraftmaschinen aus einer Trägermatrix mit glatten (8) und/oder gewellten (7) Blechbändern, welche wendel- und/oder spiralförmig; aufgewickelt und in einem Mantelrohr (2) fügetechniscr. befestigt sind,dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Breite (b) der Blechbänder (7,; zu der Steigung (s) der Wendel bzw. dem Durchmesser der Trärei matrix so gewählt ist, daß kein Querschnitt durch die Wicklung alle Lagen von Blechbändern schneidet, d.h. di; axiale Ausdehnung (h) der hohlkegelartigen Trägermatri:: größer als die zweifache Breite (b) der Blechbänder (7. 8) ist.
- 2. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermatrix eine Hohlkegelstampfform (9) hat.
- 3. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermatrix im Längsschnitt W-förmig(10) gestaltet ist.
- 4. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus mehreren mit Freiraumabstand axial hintereinander angeordneten Matrix-Teilstücken besteht.
24.03.83 Nw/Pa
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DE19833311724 DE3311724A1 (de) | 1983-03-30 | 1983-03-30 | Katalysator-traegerkoerper fuer verbrennungskraftmaschinen aus konisch wendelfoermig gewickelten blechstreifen |
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DE3311724A1 true DE3311724A1 (de) | 1984-10-04 |
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DE8484103016T Expired DE3462171D1 (en) | 1983-03-30 | 1984-03-19 | Helically wound conical shape metal strip catalyst supporting matrix for internal-combustion engines |
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AT (1) | ATE25128T1 (de) |
DE (2) | DE3311724A1 (de) |
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1984
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